טכנולוגיית סינון מגנטי

תיאוריה בסיסית של מכשיר סינון מגנטי
מנגנון הסינון של התקן הסינון המגנטי עבור חלקיקים גדולים בקרן הפלזמה הוא כדלקמן:
באמצעות ההבדל בין פלזמה לחלקיקים גדולים מבחינת מטען ויחס מטען-מסה, נוצר "מחסום" (מחסום או דופן צינור מעוקל) הממוקם בין המצע לפני השטח של הקתודה, החוסם כל חלקיק הנעים בקו ישר בין הקתודה למצע, בעוד שהיונים יכולים להיות מוסטים על ידי השדה המגנטי ולעבור דרך ה"מחסום" אל המצע.

עקרון הפעולה של מכשיר סינון מגנטי

בשדה המגנטי, Pe<

Pe ו-Pi הם רדיוסי לרמור של אלקטרונים ויונים בהתאמה, ו-a הוא הקוטר הפנימי של המסנן המגנטי. האלקטרונים בפלזמה מושפעים מכוח לורנץ ומסתובבים לאורך השדה המגנטי בצורה צירית, בעוד שלשדה המגנטי יש פחות השפעה על התקבצות היונים עקב ההבדל בין היונים לאלקטרונים ברדיוס לרמור. עם זאת, כאשר האלקטרונים נעים לאורך ציר התקן המסנן המגנטי, הוא ימשוך יונים לאורך הציר לתנועה סיבובית עקב המיקוד שלו והשדה החשמלי השלילי החזק, ומהירות האלקטרונים גדולה מזו של היון, כך שהאלקטרון מושך את היון קדימה כל הזמן, בעוד שהפלזמה תמיד נשארת ניטרלית מבחינה חשמלית כמעט. החלקיקים הגדולים ניטרליים מבחינה חשמלית או טעונים שלילית קלה, והאיכות גדולה בהרבה מזו של היונים והאלקטרונים, למעשה אינם מושפעים מהשדה המגנטי ומתנועה ליניארית לאורך האינרציה, ויסוננו לאחר התנגשות עם הדופן הפנימית של המכשיר.
תחת הפונקציה המשולבת של עקמומיות השדה המגנטי בכיפוף וסחיפה של הגרדיאנט והתנגשויות יונים-אלקטרונים, הפלזמה יכולה להיות מוסחת בהתקן הסינון המגנטי. המודלים התאורטיים הנפוצים המשמשים כיום הם מודל השטף של מורוזוב ומודל הרוטור הקשיח של דייווידסון, אשר להם את התכונה המשותפת הבאה: קיים שדה מגנטי הגורם לאלקטרונים לנוע בצורה סלילית לחלוטין.
עוצמת השדה המגנטי המנחה את התנועה הצירית של הפלזמה במכשיר הסינון המגנטי צריכה להיות כזו ש:

Mi, Vo ו-Z הם מסת היונים, מהירות ההעברה ומספר המטענים הנישאים בהתאמה. a הוא הקוטר הפנימי של המסנן המגנטי, ו-e הוא מטען האלקטרונים.
יש לציין כי חלק מיונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר אינם יכולים להיקשר במלואם על ידי אלומת האלקטרונים. הם עלולים להגיע לדופן הפנימית של המסנן המגנטי, מה שהופך את הדופן הפנימית לפוטנציאל חיובי, מה שבתורו מונע מהיונים להמשיך ולהגיע לדופן הפנימית ומפחית את אובדן הפלזמה.
בהתאם לתופעה זו, ניתן להפעיל לחץ הטיה חיובי מתאים על דופן התקן המסנן המגנטי כדי לעכב את התנגשות היונים ולשפר את יעילות הובלת יוני המטרה.

סיווג של מכשיר סינון מגנטי
(1) מבנה ליניארי. השדה המגנטי משמש כמדריך לזרימת אלומת היונים, מפחית את גודל נקודת הקתודה ואת שיעור צבירי החלקיקים המקרוסקופיים, תוך הגברת ההתנגשויות בתוך הפלזמה, מה שמניע את ההמרה של חלקיקים ניטרליים ליונים ומפחית את מספר צבירי החלקיקים המקרוסקופיים, ומפחית במהירות את מספר החלקיקים הגדולים ככל שעוצמת השדה המגנטי עולה. בהשוואה לשיטת ציפוי היונים הרב-קשתית הקונבנציונלית, מכשיר מובנה זה מתגבר על הירידה המשמעותית ביעילות הנגרמת על ידי שיטות אחרות ויכול להבטיח קצב שקיעת שכבה קבוע במהותה תוך הפחתת מספר החלקיקים הגדולים בכ-60%.
(2) מבנה עקום. למרות שלמבנה יש צורות שונות, העיקרון הבסיסי זהה. הפלזמה נעה תחת שילוב של שדה מגנטי ושדה חשמלי, והשדה המגנטי משמש כדי להגביל ולשלוט בפלזמה מבלי להסיט את התנועה לאורך כיוון קווי הכוח המגנטי. והחלקיקים הלא טעונים ינועו לאורך הקו הליניארי ויופרדו. לסרטים המוכנים על ידי התקן מבני זה יש קשיות גבוהה, חספוס פני שטח נמוך, צפיפות טובה, גודל גרגירים אחיד והידבקות חזקה לבסיס הסרט. ניתוח XPS מראה שקשיות פני השטח של סרטי ta-C המצופים בסוג זה של התקן יכולה להגיע ל-56 GPa, ולכן התקן המבנה המעוקל הוא השיטה הנפוצה והיעילה ביותר להסרת חלקיקים גדולים, אך יש לשפר עוד יותר את יעילות הובלת יונים המטרה. התקן סינון מגנטי בכיפוף 90° הוא אחד מהתקני המבנה המעוקל הנפוצים ביותר. ניסויים בפרופיל פני השטח של סרטי Ta-C מראים שפרופיל פני השטח של התקן סינון מגנטי בכיפוף 360° אינו משתנה הרבה בהשוואה למכשיר סינון מגנטי בכיפוף 90°, כך שניתן להשיג באופן בסיסי את ההשפעה של סינון מגנטי בכיפוף 90° עבור חלקיקים גדולים. למכשיר סינון מגנטי בכיפוף 90° יש בעיקר שני סוגי מבנים: האחד הוא סולנואיד כיפוף הממוקם בתא הוואקום, והשני ממוקם מחוץ לתא הוואקום, וההבדל ביניהם הוא רק במבנה. לחץ העבודה של מכשיר סינון מגנטי בכיפוף 90° הוא בסדר גודל של 10-2 פאסל, וניתן להשתמש בו במגוון רחב של יישומים, כגון ציפוי ניטריד, תחמוצת, פחמן אמורפי, סרט מוליך למחצה וסרט מתכת או לא מתכתי.

יעילות מכשיר הסינון המגנטי
מכיוון שלא כל החלקיקים הגדולים יכולים לאבד אנרגיה קינטית בהתנגשויות מתמשכות עם הדופן, מספר מסוים של חלקיקים גדולים יגיעו למצע דרך פתח היציאה של הצינור. לכן, למכשיר סינון מגנטי ארוך וצר יש יעילות סינון גבוהה יותר של חלקיקים גדולים, אך בשלב זה הוא יגדיל את אובדן יוני המטרה ובמקביל יגדיל את מורכבות המבנה. לכן, הבטחת הסרה מצוינת של חלקיקים גדולים ויעילות גבוהה של הובלת יונים במכשיר הסינון המגנטי היא תנאי הכרחי לטכנולוגיית ציפוי יונים מרובת קשתות כדי שתהיה לה סיכוי יישום רחב בהפקדת שכבות דקות בעלות ביצועים גבוהים. פעולת מכשיר הסינון המגנטי מושפעת מעוצמת השדה המגנטי, הטיה לכיפוף, צמצם מחיצה מכנית, זרם מקור הקשת וזווית הפגיעה של החלקיקים הטעונים. על ידי קביעת פרמטרים סבירים של מכשיר הסינון המגנטי, ניתן לשפר ביעילות את אפקט הסינון של חלקיקים גדולים ואת יעילות העברת היונים של המטרה.